Структурная схема блока питания стандарта АТХ и принцип его работы

На рис. 4.4. приведен вариант структурной схемы блока питания стандарта АТХ. Существует множество вариантов реализации подобных блоков питания, но изменения в структурной схеме обычно незначительны.

Рис. 4.4. Структурная схема блока питания стандарта АТХ

 

Фактически любой блок питания для ПК построен с использованием схемотехники импульсных стабилизаторов типов Half Bridge (полумостовой) или Fly Back (обратно-ходовой). Основными компонентами являются: силовой трансформатор, высоковольтные транзисторы, ШИМ-контроллер (ШИМ – широтно-импульсная модуляция), диодные сборки, силовые дроссели, силовой конвертер, всевозможные фильтры и т.д. Основное потребление в ПК падает на линии +5В и +12В.

В подавляющем большинстве блоков применяется групповая стабилизация. Её принцип прост – стабилизируются обе линии одновременно с разными коэффициентами (5/7 и 2/7) что на самом деле выливается в некое усреднённое напряжение порядка 7В. В итоге обе линии (+5В и +12В) как бы связаны между собой. Результат сравним с принципом действия простейших весов с двумя чашами. Пусть на левой чаше будет нагрузка по +5В а на правой – по +12В. До тех пор, пока нагрузка на обе линии сопоставима – всё в порядке (весы в равновесии). Но как только энергопотребление на одной из чаш существенно превысит другое, произойдёт перекос. Как известно, основной линией питания в современных ПК является +12В. Нагрузка на +5В значительно меньше. Дело в том что основными потребителями по линии 12 В являются электродвигатели приводов (винчестер и CD-ROM) и вентиляторов системы охлаждения. Линия +3.3В имеет собственную стабилизацию и на описываемую ситуацию не влияет. Следовательно, линия 12 В нагружена сильно, линия 5 В – слабо. Результат – перекос. +12В «просядет», +5В наоборот «задерётся». Бороться с таким эффектом можно двояко: ввести раздельную стабилизацию (ведёт к удорожанию БП) или же “сместить” центр весов в пользу более нагруженной линии для восстановления равновесия, что и делают производители.

Если мы имеем дело с «серьезной» конфигурацией (мощный многоядерный процессор и пара мощных видеокарт), то нагрузка на линиях +12В и +5В может отличаться на порядок. В таком случае «предкоррекции» весов в пользу +12В может быть недостаточно (при групповой стабилизации). Такая ситуация может сложиться и при самостоятельном апгрейде компьютера.

Если подключить к системной плате 4 винчестера (например организуется RAID-массив), 1 CD-ROM и 1 DVD-ROM, то возможности компьютера, конечно же, возрастают. А вот блоку питания не позавидуешь. И дело не в увеличении общей потребляемой мощности – блока питания Ватт на 500 хватит почти на все случаи жизни. Появятся сразу два источника опасности для «жизни» ПК.

1. Превышение напряжения питания над номинальным очень опасно для устройств-потребителей. И если двигатели в этом случае греются и «терпят», то электронные компоненты могут выйти из строя достаточно быстро. Считается, что превышение номинала напряжения питания на 10-20%, снижает ресурс электронного устройства в 2-4 раза.

2. Повышение потребляемой мощности серьезно увеличивает уровень импульсных помех стабилизаторов напряжения. Помехи вызывают возможность сбоя электронного оборудования, на и на его сроке службы благотворно тоже не отражаются.

Ситуация еще ухудшается, если к одной линии силового питания подключены несколько компьютеров. В этом случае помехи блока питания одного компьютера влияют на все остальные компьютеры.

Именно для защиты ПК от помех, пришедших по сети питания, и предназначен первый узел блока питания – сетевой фильтр. Входное напряжение через этот фильтр, состоящий обычно из индуктивностей, конденсаторов и разрядного резистора, поступает на выпрямитель.

Рис. 4.5. Принципиальная схема входной части блока питания ПК.

К сожалению, в некоторых блоках питания «бюджетного» класса, фирмы производители на фильтрах экономят, что ухудшает качество выходного напряжения блока и неблагоприятно сказывается на сроке службы всего компьютера.

На рис. 4.6. приведен типичный случай – на плате фильтр нарисован, а спаять его «забыли»!

Рис. 4.6. Блок питания без входного фильтра.

Выходное постоянное напряжение, номиналом порядка 300В, через фильтр низкой частоты питает основной и вспомогательный стабилизаторы. Наличие высоковольтного напряжения внутри блока питания делает работу с ним достаточно опасной. По этой причине на любом блоке питания приведено предупреждение, не рекомендующее его вскрывать.

Чтобы уменьшить эту опасность и не допустить появление высокого потенциала на выходе блока питания, в конструкцию блока питания стандарта АТХ обязательно входит трансформатор, развязывающий высоковольтную и низковольтную части блока. Известно, что чем больше частота сигнала, тем меньше размер и вес трансформатора. Этот факт является одной из основных причин того, что импульсные стабилизаторы блоков питания для ПК работают на высокой частоте – от 30 до 200 кГц.

К трансформатору относятся те же «экономические» факторы, как и ко входному фильтру. Можно поставить трансформатор поменьше, сэкономив вес и деньги, но проиграв в надежности, уровне помех и устойчивости к перегрузкам (экономит, правда, производитель, а проигрывает пользователь).

Опыт показывает, что хороший блок питания на 300Вт не может весить менее 2 кг, а стоить менее 30$.

Вспомогательный преобразователь вырабатывает постоянное напряжение 5 В, питающее основной преобразователь и другие электронные компоненты блока питания. Из этого же напряжения формируется сигнал PS ON. При высоком уровне этого сигнала блок питания находится в выключенном состоянии, основной преобразователь – в спящем режиме. На выходном разъеме блока питания присутствует только напряжение на контакте 5 V PSB.

При нажатии на кнопку включения ПК, сигнал PS ON «сбрасывается» в ноль, после чего основной преобразователь переходит в рабочий режим. С высокочастотных выпрямителей через низкочастотные фильтры на выход блока питания подаются сигналы +3,3В, ± 5В и ± 12В.

С задержкой времени в 0,1 – 0,5 сек., необходимой для окончания переходных процессов в стабилизаторе, на выходе PW OK (в некоторой литературе PG или Power Good) формируется сигнал, информирующий материнскую плату, о том, что питание включено и в норме, что вызывает запуск материнской платы и процессора. Кроме запуска материнской платы, сигнал PW OK, служит также и для ее защиты: при каких-либо нарушениях в работе блока питания, этот сигнал пропадает и приводит к отключению материнской платой блока питания, либо к перезапуску системы.

В состав блока питания входит также вентилятор, который предназначен для охлаждения блока питания за счет создания отрицательного давления (теплый воздух выбрасывается из блока питания за пределы системного блока). Более холодный воздух поступает в блок питания через отверстия в его корпусе, обращенные внутрь системного блока. Таким образом, блок питания формирует воздушный поток, обдувающий материнскую плату и процессор, участвуя в охлаждении всего компьютера. С этой точки зрения важным является расположение таких отверстий в корпусе блока питания. Неправильная конструкция блока питание, или ее несоответствие расположению элементов на материнской плате, ухудшают теплообмен внутри системного блока и могут вызвать выход из строя каких-либо электронных компонентов (см. рис. 4.7. а., б.).

Рис. 4.7. Установка блока питания в корпусе ПК (а. – неправильно, б. – правильно)

В целях улучшения системы вентиляции в хороших (и дорогих) блоках питания иногда устанавливают дополнительный, нижний, вентилятор (см. рис. 4.8.).

Рис. 4.8. Блок питания с дополнительным вентилятором.

Если уж зашла речь о вентиляции системного блока, то немаловажную роль здесь играют и другие факторы. Очевидно, важно расположение отверстий в корпусе системного блока ПК (воздух должен же как-то попадать внутрь). Менее очевидна (по крайней мере, пользователи постоянно пренебрегают этим фактором) важность установки самого системного блока. Обычная ситуация – системный блок устанавливается в специальный «компьютерный» стол – с четырех сторон доски, закрывающие воздушные отверстия и работающие, как термос, а сам стол в упор подвинут к стене, блокируя вентилятор блока питания. И уж практически никто не обращает внимания на укладку шлейфов, соединяющих накопители с материнской платой (например при очередном апгрейде ПК). В компьютерах, собранных серьезными фирмами, шлейфы не образуют хаотический клубок внутри ПК, а наоборот, уложены так, чтобы формировать потоки входного воздуха, направляя их на элементы, требующие охлаждения (процессор, видеокарта и т.д.).

4.2. Мощность блока питания и его выбор.

При покупке готового ПК, задумываться о выборе блока питания обычно не приходится – какой производитель поставил, то и ладно. Гораздо более важным этот вопрос становится при сборке ПК под заказ, или при его апгрейде. Выбор блока питания наиболее часто производится по трем параметрам: мощность, вес, цена (увы, обычно с уклоном в сторону последнего фактора). Габариты блока питания для настольного ПК обычно менее важны – вряд ли производитель будет выпускать блоки питания, не влезающие в корпус ПК, а от приобретения блока питания, принципиально несовместимого с данным системным блоком, удержит и самый малограмотный продавец. Правда бывают случаи, что и материнская плата и блок питания сами по себе в корпус «лезут», а вот вместе – никак – друг другу мешают, но такие случаи достаточно редки.

Чтобы выяснить, можно ли модернизировать компьютер, сначала необходимо вычислить мощность, потребляемую его отдельными узлами, а затем определить мощность блока питания. После этого станет ясно, нужно ли заменять блок питания более мощным. К сожалению, эти расчеты не всегда удается выполнить, потому что многие фирмы-производители не сообщают, какую мощность потребляют их изделия. Довольно сложно определить этот параметр для устройств с напряжением питания +5 В, включая системную плату и платы адаптеров. Мощность, потребляемая системной платой, зависит от нескольких факторов. Хорошо, если вам удастся найти точные данные для плат расширения; если их нет, то проявите разумный консерватизм и исходите из максимальной мощности потребления для плат адаптеров, допускаемой стандартом используемой шины.

Обычно превышение допустимой мощности происходит при заполнении разъемов и установке дополнительных дисководов. Некоторые жесткие диски, CD-ROM, накопители на гибких дисках и другие устройства могут перегрузить блок питания компьютера. Обязательно нужно провермть, достаточно ли мощности источника +12 В для питания всех дисководов. Особенно это относится к компьютерам с корпусом Tower, в котором предусмотрено много отсеков для накопителей.

От слов перейдем к цифрам. Попробуем просуммировать данные потребления мощности каждого элемента. Следует, однако, понимать, что составить расчет с точностью до +/- 1 Вт невозможно, поскольку производители очень редко разглашают информацию о потребляемой мощности устройств. К тому же, у каждого свои мерки - устройства разных разработчиков предъявляют разные требования к питанию. Поэтому, расчет делается весьма приблизительный, но с условием "лучше больше, чем меньше". Данные взяты из множества источников, найденных поисковиком:

· Процессор - 50-90 Вт

· Материнская плата - 15-30 Вт

· Память - 5-10 Вт

· HDD - 7-30 Вт

· Видеокарта - 10-50 Вт

· CD-ROM, CD-RW, DVD - 10-25 Вт

· FDD - 5-7 Вт

· Sound - 5-10 Вт

· Кулер - 1-2 Вт

· Порты - 8-10 Вт

Теперь все суммируем по минимуму и по максимуму:
P max = 90+30+10+30+50+25+7+10+2+10 = 254 Вт
P min = 50+15+5+7+10+10+5+5+1+8 = 116 Вт

Таким образом, потребляемая мощность среднестатистического ПК лежит в пределах 116-254 Вт. От этих цифр и стоит отталкиваться. Следует также заметить, на примере процессора, что мощность 90 Вт - это не постоянное, а пиковое, кратковременное потребление в течение короткого времени. К тому же, это значение применимо, скорее, к топовым моделям, младшие потребляют значительно меньше. Это же касается и жестких дисков, энергопотребление которых достигает максимума при записи, а при чтении и, особенно, в холостом режиме, уменьшается. Еще интереснее ситуация с видеоадаптерами. Видеокарты уровня 50 и более Ватт рассчитаны на слот AGP Pro. Обычный слот AGP 4x имеет предел по питанию в 25 Вт. При необходимости получить большую мощность, производители размещают на видеокарте отдельный разъем питания (как, например, в ATI Radeon 9700 и Voodoo 5). Можно утверждать, что видеокарта в стандартном слоте не выйдет за пределы 25 Вт. К тому же, максимума по мощности она достигает при активном использовании "горячих" возможностей в 3D-играх, а в 2D уровень энергопотребления значительно уменьшается.

В принципе, блока питания на 200, максимум на 250 Вт хватает, но тут появляется целый ряд дополнительных факторов.

Поработав с компьютером, пользователь возьмет и поставит дополнительную память, DVD-ROM, винчестер и т.д. А потом еще и внешний диск с питанием от USB подключим!

Летом жарко, компьютер греется и его жалко, поставим дополнительный корпусной вентилятор. Тест показывает температуру винчестера 55^о, поставим вентилятор и на него!

К тому же надо учесть, что допустимая мощность БП, например 300 Вт - также не постоянная, а пиковая. БП может ее выдать, но кратковременно, например, при запуске системы. В рабочем же режиме мощность значительно ниже пиковой, указанной в маркировке. Даже "честные" БП имеют рабочую мощность ниже заявленной пиковой.

Таким образом, очень желательно брать блок питания с некоторым запасом, обеспечивающим возможность дальнейшего наращивания возможностей компьютера. Следует учесть и то, что при приближении потребляемой мощности к номиналу блока питания, резко повышается уровень импульсных помех, о вреде которых уже говорилось выше (см. рис. 4.9.).

Рис. 4.9. Осциллограммы выходного напряжения источника питания при 50% и 70% от номинальной мощности.